水肥管理是最重要的农业管理技术手段,由于水资源匮乏和加剧的土壤贫瘠化,污水灌溉和过度施肥现象在我国华北平原地区分布广泛。重金属在土壤中有多种赋存形态,不同化学形态的重金属的生物可利用性不同,且不同化学形态重金属会随着土壤环境的改变而互相发生转化。污水灌溉和氮肥施用可以显著改变多种土壤物理化学过程,影响土壤理化性质和微生物群落结构。但这种对土壤环境的改变是否会进一步影响重金属化学形态之间的转化过程,进而改变重金属的生物可利用性,目前尚不清楚。因此,需要对长期污水灌溉和氮肥施用对农田土壤重金属的生物可利用性的影响作出评估,以期为我国农业安全生产提供一定科学指导。本研究在华北平原某典型污灌区采集了鞣革废水、制药废水和生活污水长期灌溉下的小麦根际土壤和小麦根系样品,以及采集北京某长期氮肥施用试验田土壤样品。通过分析土壤多种理化指标(pH,氧化还原电位,阳离子交换量,土壤质地和土壤有机碳周转等),酶活性(过氧化氢酶、木质素过氧化物酶,漆酶等)和不同化学形态重金属(Cu,Cr,Cd,As,Pb和Ni)的含量,试图探讨不同来源污水长期灌溉和氮肥施用对农田土壤重金属生物可利用性的影响及其内在作用机制。研究结果表明:(1)灌溉鞣革废水的农田根际土壤中所有重金属含量均有所增加,其中铜,铬,镉,铅,镍的平均浓度均超过河北省土壤参考背景值。制药废水灌溉后,除铜含量升高了外,根际土壤中其余重金属总量几乎保持不变,在用生活污水灌溉后,除Cu和Cr含量升高外,重金属总量在根际土壤中基本保持不变,表明灌溉生活污水与制药废水只会引起土壤轻微的重金属总量变化,而灌溉鞣革废水则会引起显著的土壤重金属累积,但仍达不到重金属污染的程度。(2)灌溉制药废水后,根际土壤中重金属生物不可利用部分的比例升高,而潜在生物可利用部分和生物可直接利用部分比例降低。与之相反,生活污水和鞣革废水灌溉后,根际土壤中重金属生物不可利用部分比例降低,而生物可利用部分和生物可直接利用部分比例升高。(3)灌溉鞣革废水和生活污水会使根际土壤重金属的生物富集系数提高。灌溉制药废水的农田中,除Cr外,其余重金属的生物富集系数都降低了。说明经过鞣革废水和生活污水灌溉后,土壤重金属生物有效性得到提升,而经过制药废水灌溉后,除Cr外,其余土壤重金属生物有效性得到降低。(4)灌溉鞣革废水和生活污水会通过增加土壤活性有机碳含量,土壤过氧化氢酶活性和土壤氧化还原电位(Eh)降低不可生物利用态重金属比例并提高重金属潜在生物可利用态比例,进而提高土壤重金属的生物有效性。土壤活性有机碳含量和过氧化氢酶活性对提高重金属生物有效性有直接的促进作用,而土壤Eh可通过影响鞣革废水和生活污水灌溉农田中土壤活性有机碳含量和过氧化氢酶活性间接影响重金属的生物有效性。灌溉制药废水会通过提高土壤抗生素含量降低潜在生物可利用态和生物可直接利用态重金属比例并提高不可生物利用态重金属比例,降低根际土壤中重金属的生物有效性。(5)氮肥施用会促使土壤重金属生物可直接利用部分转化为有机质结合组分,从而降低重金属的生物有效性,并且这种促进作用在较小粒径的土壤团聚体组分中更加显著。结果还表明重金属生物可直接利用组分的变化与有机碳周转时间的变化呈负相关,而重金属有机质结合组分的变化与有机碳周转时间的变化呈正相关,这种强相关性在不同土壤团聚体组分中是普遍存在的。这些结果表明,土壤有机碳周转时间的变化是引起重金属化学形态发生变化的根本原因。施用氮肥后土壤有机质周转时间变慢,一方面可以延长重金属与有机质的相互作用时间,另一方面可以提高土壤有机质的腐殖化程度,增加土壤有机质官能团数量,增强其对重金属的吸附络合能力。土壤有机质对重金属的吸附能力的增强和解吸附能力的抑制最终促使了重金属生物可直接利用组分向有机物结合组分的转化。